專利名稱：滾動件軸承上的負載測量方法以及傳感器配置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及滾動件軸承，例如球軸承和滾柱軸承，上的負載測量。更具體地，本發(fā)明涉及一種確定工作期間作用在滾動件軸承上的接觸力向量的方法和傳感器，其中該滾動件軸承包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)以及若干內(nèi)、外環(huán)之間的滾動件，該方法包括從多個測量該滾動件軸承的工作特性的傳感器接收傳感器信號的步驟以及處理接收到的傳感器信號以確定接觸力向量的步驟。
背景技術(shù)：
例如從美國專利US-A-5,140,849知道這種負載測量方法，該專利說明一種帶有傳感器單元的滾動件軸承。該傳感器單元包括二個以應(yīng)變計為形式的傳感器元件，它們有效地測量軸承的一些工作特性，例如外加負載、轉(zhuǎn)動速度和加速度。
但是，這種已知傳感器配置不能測量施加到軸承上的總負載向量。根據(jù)軸承構(gòu)造事先假定(大多數(shù)經(jīng)驗地)這二個傳感器元件如何感測軸承上的負載，從而如何可以從傳感器元件信號確定軸承上的負載。另外，由于軸承的非線性性質(zhì)，采用球通過頻率的直接振動測量方法不足以在總意義上確定軸承上的負載。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明尋求提供一種確定滾柱軸承上的負載的改進方法和傳感器配置，其能確定軸承上的完整負載向量，即三個正交的力分量以及二個力矩(繞軸承的轉(zhuǎn)動軸的力矩不重要)。
依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種按照上面的序言定義的方法，在該方法中設(shè)置多個傳感器以測量軸承構(gòu)件變形并且該處理步驟包括利用描述滾動件軸承的有限元分析模型的逆變換確定接觸力向量。利用傳感器測量它的變形的軸承構(gòu)件可以是內(nèi)環(huán)或外環(huán)或者甚至是滾動件之一。
該方法的優(yōu)點是，通過測量構(gòu)件變形能確定該有限分析模型描述的滾動件軸承構(gòu)件的所有位置上所有正交維度上的負載向量。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，利用至少一個廣義模態(tài)(generalisedmode shape)簡化該有限元分析模型，該至少一個廣義模態(tài)是對滾動件軸承的一個構(gòu)件，例如內(nèi)環(huán)和外環(huán)，的自然模式變形的數(shù)字描述。該實施例基于了解根據(jù)某特定自然模態(tài)滾動件軸承的一個構(gòu)件的變形。廣義模態(tài)利用廣義質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣描述該構(gòu)件的自然模式變形，即該構(gòu)件的靜態(tài)和動態(tài)移動。使用至少一個的廣義模態(tài)明顯減少確定負載要求解的方程的數(shù)量由幾萬個元構(gòu)成的構(gòu)件的有限元模型可以縮減到幾百個廣義模態(tài)。
在一優(yōu)選實施例中，簡化模型的形式是s‾(ω)=T‾‾mK‾‾p-1(∂F(θ‾,α‾)∂p‾f‾c(ω)+f‾e(ω))]]>其中s(ω)是一組頻率ω下測量變形有的測量點； 是用來為該簡化的模型計算剛度矩陣 的變換矩陣 的子集，剛度矩陣K‾‾p=F‾‾TK‾‾FEMT‾‾,]]> 是該構(gòu)件的有限元分析模型的剛度矩陣；p是描述該構(gòu)件的變形的向量；θ是該構(gòu)件的圓周方向上的坐標(biāo)；α是垂直于該構(gòu)件的坐標(biāo)；F是對該構(gòu)件簡化建模所使用的形狀函數(shù)fc是作用在帶有向量θ和α中所計入的坐標(biāo)的點上的接觸力構(gòu)成的向量；以及fe是由作用在該構(gòu)件上的其它力構(gòu)成的向量，并且確定接觸力向量f的步驟包括求解用于fc、θ和α的簡化模型方程并且根據(jù)f‾=f(f‾c,θ‾,α‾)]]>合計接觸力的步驟。
可以快速和準(zhǔn)確地解出形成該簡化模型的特定方程組從而確定負載向量f。
在本發(fā)明的另一實施例中，該簡化模型中只考慮滾動件通過頻率ωbp上的傳感器信號。由于滾動件通過頻率上代表該構(gòu)件上的外力的向量fc基本為零，這進一步簡化求解這組方程的任務(wù)。
在本發(fā)明的又一實施例中，各傳感器定位成具有和滾動件相同的間距，并且簡化模型的形式為s‾(ωbp)|=T‾‾mK‾‾p-1∂F(θ‾,α‾)∂p‾|f‾c(ωbp)|,]]>并且確定接觸力向量f的步驟包括求解該用于|fc|和α的簡化模型并且根據(jù)f‾=f(f‾c,α‾)]]>相加接觸力的步驟。通過把傳感器定位成具有和滾動件相同的間距，可以在該簡化模型中消除相位的影響，從而更加減少求解這組方程的計算任務(wù)。
傳感器的數(shù)量最好等于滾動件的數(shù)量。這在不得到超定(overdetermined)的方程組的情況下對準(zhǔn)確確定該方程組的解提供足夠的信號信息。
在另一實施例中，作用在滾動件軸承上的力向量的接觸角等于預(yù)定值，并且多個傳感器的數(shù)量等于加載滾動件的數(shù)量。由于此情況下知道該力向量的接觸角α，求解該方程組需要較少的信息(即較少的傳感器元件)。例如在其中只有三個滾動件承載整個負載向量的徑向加載軸承的情況下，只確定這三個位置上的變形就足夠了，從而只需要三個傳感器。
在角接觸球軸承的情況下，已知力向量角α，從而使用N個傳感器就夠了，其中N等于加載滾動件的數(shù)量例如三個。
在另一個方面，本發(fā)明涉及用來確定操作中作用在滾動件軸承的接觸力向量的傳感器配置，該滾動件軸承包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)和若干內(nèi)、外環(huán)之間的滾動件，該傳感器配置包括處理裝置以及多個和處理裝置連接的傳感器，該處理裝置設(shè)置成執(zhí)行本發(fā)明方法的各個步驟。
這種傳感器配置允許以快速和準(zhǔn)確的方式確定五個自由度下的完整力向量。該傳感器配置是非常準(zhǔn)確的，并且還和滾動件軸承的溫度、安裝和界面條件無關(guān)。
可以有益地使用的傳感器包括應(yīng)變計或其它類型的適于測量某表面例如軸承外環(huán)的變形或位移的傳感器。
在另一實施例中，該處理裝置包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成利用來自該多個傳感器的輸入信號提供作為輸出的接觸力向量。這對軸承(構(gòu)件)機構(gòu)的復(fù)雜建模提供非常有效的解決辦法。
在另一實施例中，軸承內(nèi)環(huán)或外環(huán)附著到傳感器支持器上，在內(nèi)環(huán)或外環(huán)的接觸表面的至少一部分和該傳感器支持器之間設(shè)置圓周凹退。該圓周凹退允許該向量力影響下的內(nèi)或外環(huán)的局部變形作用到軸承并且由各滾動件傳遞。


現(xiàn)參照各附圖利用一些示范實施例更詳細地解釋本發(fā)明，其中圖1是帶有若干位移傳感器的滾動件軸承的剖面圖；圖2示出圖1的滾動件軸承沿線II-II的剖面圖；以及圖3示出依據(jù)本發(fā)明的一實施例的傳感器配置的方塊圖。
具體實施例方式
圖1中示出滾動件軸承1，例如球軸承或滾柱軸承的剖面圖。滾動件軸1包括外環(huán)5、內(nèi)環(huán)6和若干滾動件7(圖中滾動件7的數(shù)量為八個)。滾動件軸承1的外環(huán)5固定在傳感器支持器2，支持器2對滾動件軸承1形成固定世界。在傳感器支持器2中按和軸承1的滾動件的角間距對應(yīng)的(角)間距下在對著軸承外環(huán)5的位置上設(shè)置八個傳感器8。傳感器8可以是業(yè)內(nèi)人士周知的位移傳感器或振動傳感器。
如圖2的剖面圖中所示，軸承外環(huán)5在它的外周緣上帶有凹退3。軸承外環(huán)5的外表面和傳感器支持器2緊密接觸。從而傳感器8可以監(jiān)視由于滾動件7通過以及對軸承1施加力向量造成的外環(huán)5的凹退了的表面的變形。
業(yè)內(nèi)人士會清楚也可以在傳感器支持器2中設(shè)置圓周凹退3，從而軸承外環(huán)5的外表面的(局部)變形是可能的。業(yè)內(nèi)人士還清楚，能利用傳感器組8監(jiān)視軸承內(nèi)環(huán)6的內(nèi)表面，并且軸承內(nèi)環(huán)6(或者類似于傳感器支持器2在支承內(nèi)環(huán)的支持器上)設(shè)置圓周凹退3。
當(dāng)事先知道例如由該滾動件軸承1的結(jié)構(gòu)力向量會主要指向一個方向，在本傳感器組件中使用較少數(shù)量的傳感器8就夠了。如果例如知道力向量主要指向單個方向，在此方向上例如設(shè)置三個彼此相鄰的傳感器就行，因為這是出現(xiàn)外環(huán)5的變形的唯一區(qū)域。這簡化傳感器組件，同時保持足夠的精度。
圖1中，還指出x軸和y軸，z軸定義成正交于x軸和y軸(垂直于該圖的表面延伸)。另外，可以定義二個轉(zhuǎn)動軸，例如分別繞x軸和y軸的轉(zhuǎn)動軸。通常，滾動件軸承1在工作中遭受力向量f，該向量包括三個分別沿x、y和z方向的分量以及二個分別繞x和y軸的力矩分量。
圖3中示出依據(jù)本發(fā)明的一實施例的傳感器配置示意圖。各傳感器8連接到諸如通用計算機或?qū)Ｓ眯盘柼幚硐到y(tǒng)的處理裝置10，以便對處理裝置10提供傳感器信號。處理裝置10還可以進一步和用來存儲參數(shù)、數(shù)據(jù)和處理結(jié)果的存儲器裝置11連接。另外，處理裝置10可以和接口裝置12連接，例如用來對顯示器或打印機提供處理結(jié)果。
處理裝置10設(shè)置成處理來自傳感器組8的信號，并且可以包括例如濾波器、放大器等或包括數(shù)字信號處理裝置例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器、運算器等或者二者的組合。
在另一實施例中，處理裝置10可包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其適用訓(xùn)練成利用作為輸入信號的傳感器8的測量信號提供作為輸出的力向量。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練不是本發(fā)明的一部分從而本說明書不進一步列出細節(jié)。
本發(fā)明的概念基于通過測量軸承環(huán)5、6的變形或振動確定滾柱軸承中的接觸力。測量信號的幅值由接觸負載決定。利用建模技術(shù)確定作用點(即接觸角)和接觸負載的幅值。給出特定時刻的作用點以及所有接觸負載的幅值，能算出軸承1上的總負載。該總負載可以由帶有三個正交力分量和二個力矩分量(繞軸承的轉(zhuǎn)動軸的力矩分量不重要)的向量構(gòu)成。
本發(fā)明的基本點是，已知任何機械物體，例如軸承內(nèi)或外環(huán)5、6只能根據(jù)它的自然模態(tài)變形。
所使用的建模技術(shù)基于所謂的構(gòu)件模式合成(CMS)技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)可以利用一組特定方程描述這些自然模態(tài)，例如如J.A.Wensing在“球軸承動力學(xué)”(ISBN 90-36512298)中說明那樣，該文收錄作為參考。例如可以利用構(gòu)件5、6的有限元分析模型確定這些自然模態(tài)。利用有限元分析模型以及構(gòu)件模式合成技術(shù)進一步簡化該模型以得到利用廣義模態(tài)描述構(gòu)件的變形的簡化模型。這允許把帶有幾萬個元的有限元分析模型變換成幾百個模態(tài)描述，可以更方便和更快地解出后者。另外，利用該簡化的模型還可以計算構(gòu)件5、6的所有位置上的變形。
對于本發(fā)明，可以利用若干這樣的廣義模態(tài)方程描述滾動件7負載造成的構(gòu)件5、6的變形。確定用模態(tài)描述構(gòu)件5、6的靜態(tài)、動態(tài)運動的廣義質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣。
接著，當(dāng)知道作用在構(gòu)件5、6上的所有接觸負載時可以重構(gòu)軸承1上的負載向量。這些接觸負載造成變形，而該變形是利用上面的模型用一系列的自然模態(tài)描述的。通過作為構(gòu)件模態(tài)描述的直接變量的剛性矩陣該變形和滾動接觸力關(guān)聯(lián)。從而剛性矩陣的逆描述作為由各傳感器8檢測的局部觀察到的構(gòu)件5、6的變形的函數(shù)的作用力。
依據(jù)該建模技術(shù)，接觸負載在軸承環(huán)上造成的廣義力可寫為f‾p=∂F(θ‾,α‾)∂p‾f‾c]]>其中p是描述軸承環(huán)的變形帶有廣義自由度的向量；fp是對應(yīng)的廣義力向量；F是一組用來對撓性環(huán)建模的函數(shù)；fc是作用在帶有計入在向量θ和α中的坐標(biāo)的點上的接觸力構(gòu)成的向量；θ是軸承環(huán)座圈的圓周方向上的坐標(biāo)；以及
α是垂直于軸承環(huán)座圈的坐標(biāo)(例如接觸角)。
對于軸承環(huán)，廣義自由度p和廣義力fp之間的關(guān)系(忽略慣性)是f‾p=K‾‾pp‾]]>其中 是剛性矩陣。對于一組測量位移(變形)或振動的測量點s，成立以下方程s‾=T‾‾mp‾]]>其中 是變換矩陣 的子集，該變換矩陣 用于計算CMS模型的剛性矩陣K‾‾p=T‾‾TK‾‾FEMT‾‾.]]> 是軸承環(huán)的有限元模型的剛性矩陣。
當(dāng)組合上面的方程并且添加代表軸承環(huán)上的其它負載fe(t)，產(chǎn)生s‾(t)=T‾‾mK‾‾p-1(∂F(θ‾,α‾)∂p‾f‾c(t)+f‾e(t))]]>該方程中的未知量是向量θ、α和fc。把該方程變換到頻域中產(chǎn)生s‾(ω)=T‾‾mK‾‾p-1(∂F(θ‾,α‾)∂p‾f‾c(ω)+f‾e(ω))]]>由于滾動件軸承的性質(zhì)，某位置上的接觸力fc會隨球(或滾柱)通過頻率ωbp變化。另外，球通過頻率下可以把外部負載的幅值當(dāng)成幾乎為零，即fe(ωbp)≈0。從而，在球通過頻率上可以按幅值和相位得到接觸負載的貢獻。在給出接觸負載下，可以通過合計接觸負載計算軸承上的外部負載f＝f(fc，θ，α)在一特定實施例中，通過使檢測軸承內(nèi)環(huán)或外環(huán)的橫截面上的變形或振動的傳感器之間的間距等于軸承的滾動件之間的間距可以消除相位的影響。在此情況下，方程簡化成|s‾(ωbp)|=T‾‾mK‾‾p-1∂F(θ‾,α‾)∂p‾|f‾c(ωbp)|]]>在此方程中未知量減少到|fc|和α?？梢詮腃MS模型直接提取矩陣 和 解析形狀函數(shù)F(θ，α)通過定義是已知的。這樣，通過在和滾動件的數(shù)量相等的橫截面數(shù)量上成對地設(shè)置傳感器，可以利用上面的方程確定接觸負載。
給出接觸負載，可以根據(jù)f‾=f(f‾c,θ‾,α‾)]]>合計接觸負載計算軸承上的外部負載。
權(quán)利要求
1.一種確定工作中作用在滾動件軸承(1)上的接觸力向量的方法，該滾動件軸承(1)包括內(nèi)環(huán)(6)、外環(huán)(5)和多個內(nèi)外環(huán)之間的滾動件(7)，該方法包括步驟接收來自多個用于測量滾動件軸承(1)的工作特性的傳感器(8)的傳感器信號；處理接收到的傳感器信號以確定該接觸力向量，其特征在于，該多個傳感器(8)設(shè)置成測量一個軸承構(gòu)件的變形；并且處理步驟包括利用描述滾動件軸承(1)的有限元分析模型的逆變換來確定該接觸力向量的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中利用至少一個廣義模態(tài)簡化有限元分析模型，該至少一個廣義模態(tài)是滾動件軸承(1)的一個構(gòu)件，例如內(nèi)環(huán)或外環(huán)(5，6)的自然模式變形的數(shù)學(xué)描述。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中該簡化模型的形式為s‾(ω)=T‾‾mK‾‾p-I(∂F(θ‾,α‾)∂p‾f‾c(ω)+f‾e(ω))]]>其中s(ω)是一組在頻率ω下測量變形的測量點； 是用來計算剛度矩陣 的變換矩陣 的子集，對于簡化模型，剛性矩陣K‾‾p=T‾‾TK‾‾FEMT‾‾,]]> 是該構(gòu)件的有限元分析模型的剛性矩陣；p是描述該構(gòu)件的變形的向量；θ是該構(gòu)件的圓周方向上的坐標(biāo)；α是垂直于該構(gòu)件的坐標(biāo)；F是一組用來簡化該構(gòu)件的建模的形狀函數(shù)fc是作用在帶有計入在向量θ和α中的坐標(biāo)的點上的接觸力構(gòu)成的向量；以及fe是由作用在該構(gòu)件上的其它力構(gòu)成的向量，并且確定接觸力向量f的步驟包括求解該用于fc、θ和α的簡化模型方程并且根據(jù)f‾=f(fc‾,θ‾,α‾)]]>合計接觸力的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中該簡化模型中只考慮滾動件通過頻率ωbp下的傳感器信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其中按和滾動件(7)相同的間距定位各傳感器(8)，并且該簡化模式的形式為|s‾(ωbp)|=T‾‾mK‾‾p-1∂F(θ‾,α‾)∂p‾|f‾c(ωbp)|,]]>并且確定接觸力向量f的步驟包括求解該用于|fc|和α的簡化模型方程并且根據(jù)f‾=f(fc‾,α‾)]]>合計接觸力的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5中任一項的方法，其中傳感器(8)的數(shù)量等于滾動件(7)的數(shù)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5中任一項的方法，其中作用在滾動件軸件(1)上的力的接觸角等于預(yù)定值，并且該多個傳感器(8)的數(shù)量等于加載的滾動件(7)的數(shù)量。
8.一種用于確定工作中作為在滾動件軸承(1)上的接觸力向量的傳感器配置，該滾動件軸承(1)包括內(nèi)環(huán)(6)、外環(huán)(5)和內(nèi)外環(huán)之間的多個滾動件(7)，該傳感器配置包括處理裝置(10)和多個與處理裝置連接的傳感器(8)，該處理裝置(10)設(shè)置成執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至7中之一的方法步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器配置，其中處理裝置(10)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成利用來自該多個傳感器(8)的輸入信號提供作為輸出的接觸力向量。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的傳感器配置，其中軸承內(nèi)環(huán)(6)或外環(huán)(5)附著在傳感器支持器(2)上，在內(nèi)環(huán)(6)或外環(huán)(5)的至少部分接觸面和該傳感器支持器(2)之間設(shè)置圓周凹退。
全文摘要
一種確定工作中作用在滾動件軸承(1)上的接觸力向量。從測量滾動件軸承(1)的工作特性的多個傳感器(8)接收傳感器信號。處理接收到的傳感器信號以確定接觸力向量。該多個傳感器(8)設(shè)置成測量軸承構(gòu)件變形，并且處理步驟包括利用描述滾動機軸承(1)的有限元分析模型的逆變換確定接觸力向量的步驟。利用至少一個廣義模態(tài)簡化有限元分析模型，該至少一個廣義模態(tài)是對滾動件軸承(1)的一個構(gòu)件例如內(nèi)環(huán)或外環(huán)(5，6)的自然模式變形的數(shù)學(xué)描述。
文檔編號G01M13/04GK1842699SQ200480024788
公開日2006年10月4日 申請日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月18日
發(fā)明者漢德瑞克·A.·莫莉, 蓋瑞特·C.·萬尼簡 申請人:Skf股份公司